基于镧系元素改性沸石用于饮用水除氟的研究

摘要

氟是人体必需的微量元素之一。适量的氟能坚固骨骼、牙齿，减少龋齿发病率;但是，过量时会对人体造成伤害，严重的丧失劳动能力。我国在《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中明确规定:饮用水中氟化物的限值为1.0mg·L-1。目前，国内外饮用水的除氟方法主要有吸附法、混凝沉淀法、电凝聚法、电渗析法和膜分离法。由于吸附法具有出水稳定、工艺流程简单、经济实惠等优点而被广泛应用。
　　 天然沸石是一种广泛存在于自然界中的硅铝酸盐矿物，具有多孔性、筛分性、离子交换性、耐酸性及对水的强结合性。但天然沸石所含杂质较多，对氟的吸附能力很低，通常需要对其加以活化或改性处理。本研究针对饮用水中过量的氟对人体的危害和沸石的性质特征，利用两种镧系金属对天然沸石进行改性，并对制得的两种改性沸石进行了静态试验、再生试验和动态试验研究。改性沸石的最佳制备方法是将洗净烘干的60～80目天然沸石在400℃高温焙烧2h，以固液比1:10加入1.38mol·L-1的H2SO4溶液中动态浸渍24h，用超纯水洗净，烘干，然后以固液比1:5投加到0.05mo1·L-1硫酸高铈和硝酸钕溶液中动态浸渍24h，用氨水调节pH值为11～12，动态浸渍24h，过滤后洗净烘干，最后于400℃高温焙烧4.0h。酸性条件有利于载铈改性沸石和载钕改性沸石对氟离子的吸附;碱性条件不利于对氟离子的吸附;载铈改性沸石和载钕改性沸石的除氟pH范围较宽;两种改性沸石均在120min内达到吸附平衡;温度对改性沸石的除氟率和吸附容量影响不大，低温有利于对氟离子的吸附;当氟离子总量一定时，随着改性沸石用量的增加，除氟率有增加趋势，而吸附容量有减小的趋势;原水氟离子浓度对氟离子改性沸石的除氟率和吸附容量有一定影响，增大原水中氟离子浓度可以充分发挥改性沸石的吸附能力。改性沸石再生的最佳条件为:再生液浓度为0.5mol·Lˉ1，再生时间为12h。改性沸石经五次再生后，仍具有一定的吸附能力，说明改性沸石重复利用性。在动态试验中，随着吸附时间的延长，出水氟离子浓度逐渐增加。
　　 Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式都可以用来描述载铈改性沸石和载钕改性沸石的吸附平衡关系，说明改性沸石对氟离子的吸附较容易进行。两种改性沸石的吸附速度能较好的符合班厄姆公式，也能较好的符合拟一级动力学模型和拟二级动力学模型，由拟二级动力学模型计算得到的平衡吸附量与静态试验得到的平衡吸附量能较好的吻合，说明拟二级动力学模型能较好地预测平衡吸附量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 氟的性质

1．2 高氟地下水的成因

1．3 摄入氟的途径以及氟对人体的影响

1．3．1 摄入氟的途径

1．3．2 氟对人体的影响

1．4 地方性氟中毒的分布及其分布

1．4．1 地方性氟中毒

1．4．2 地方性氟中毒的分布

1．5 人体必需的摄氟量及氟化物饮用水标准

1．5．1 人体必需的摄氟量

1．5．2 氟化物饮用水标准

1．6 饮用水除氟方法

1．6．1 混凝沉淀法

1．6．2 化学沉淀法

1．6．3 电凝聚法

1．6．4 电渗析法

1．6．5 膜分离法

1．6．6 离子交换法

1．6．7 吸附法

1．7 沸石的简介

1．7．1 沸石的结构和性质

1．7．2 沸石的改性方法

1．8 研究的内容和技术路线

1．8．1 研究内容

1．8．2 技术路线图

1．8．3 创新点

1．8．4 研究的目的和意义

第二章 试验方案、材料和方法

2．1 试验所用仪器与试剂

2．1．1 试验仪器

2．1．2 试验试剂

2．1．3 试验用水及沸石

2．2 氟离子选择电极法

2．2．1 氟离子选择电极法的原理

2．2．2 标准曲线的绘制

2．3 试验方法

2．3．1 改性沸石的制备

2．3．2 静态试验

2．3．3 再生试验

2．3．4 动态试验

2．4 试验效果评价方法

第三章 改性天然沸石的制备

3．1 天然沸石的预处理

3．2 改性沸石制备条件的优化

3．2．1 预处理沸石的改性

3．2．2 改性剂浓度的影响

3．2．3 固液比的影响

3．2．4 动态浸渍时间的影响

3．2．5 改性方式的影响

3．3 本章小结

第四章 改性沸石除氟性能的试验研究

4．1 改性沸石除氟的静态试验

4．1．1 pH的影响

4．1．2 吸附时间的影响

4．1．3 温度的影响

4．1．4 改性沸石投加量的影响

4．1．5 原水浓度的影响

4．2 改性沸石除氟的再生试验

4．2．1 再生液浓度的影响

4．2．2 再生时间的影响

4．2．3 再生次数的影响

4．3 改性沸石除氟的动态试验

4．4 本章小结

第五章 改性沸石对氟离子的吸附动力学分析

5．1 吸附类型

5．2 吸附等温线

5．3 吸附动力学

5．4 改性沸石的吸附等温线拟合

5．4．1 改性沸石的Langmuir吸附等温线拟合

5．4．2 改性沸石的Freundlich吸附等温线拟合

5．5 改性沸石的吸附动力学分析

5．5．1 斑厄姆公式分析

5．5．2 拟一级动力学模型分析

5．5．3 拟二级动力学模型分析

5．6 本章小结

第六章 结论

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简介

致谢